CN108843417A - 基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产*** - Google Patents

基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***，锅炉的烟道内设置有高温过热器、低温过热器、分流省煤器及SCR脱硝装置，压缩机的出口与回热器的冷侧入口及分流省煤器的入口相连通，回热器的冷侧出口与分流省煤器的出口通过管道并管后依次经锅炉的气冷壁、低温过热器及高温过热器与透平的入口相连通，透平的出口分为两路，其中一路与回热器的热侧入口相连通，另一路与回热器的热侧出口通过管道并管后分为两路，其中一路与热网加热器的放热侧入口相连通，另一路与预冷器的放热侧入口相连通，热网加热器的出口与预冷器的放热侧出口通过管道并管后与压缩机的入口相连通，该热电联产***能够实现热电完全解耦。

Description

基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***
技术领域
本发明属于热电联产技术领域，涉及一种基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***。
背景技术
发展更加高效灵活的火力发电***，是未来能源体系建设的重大需求。提高机组发电效率主要包括两个途径，一是提高蒸汽参数到700℃等级，但需要采用昂贵的高温镍基合金，机组经济性不能满足要求，同时蒸汽机组只有在1000MW大容量等级以上才能实现50％以上的发电效率，且热电联产机组还存在以热定电，难以解耦的问题，这也使得现有蒸汽机组的灵活性问题难以解决。另一条途径是从动力循环的热力学基础层面进行革命性创新，超临界二氧化碳动力循环是以超临界二氧化碳为工质的真实气体闭式布雷顿循环，整个循环工作在二氧化碳临界点(7.37MPa,31℃)以上，循环结构接近理论最优的广义卡诺循环，且随着发电参数的提高，发电效率的优势越明显。超临界二氧化碳动力循环在工质参数32MPa，620℃条件下，采用现有材料和污染物超低排放技术，发电效率可在300MW小容量等级机组突破50％，与未来700℃等级1000MW大容量超超临界蒸汽机组相当。另一方面，由于超临界二氧化碳循环采用了全流量的极限回热技术，可以实现热电以任意比例输出，真正实现热电完全解耦。
当前，随着风电、光电并网规模的不断扩大，北方冬季供暖期弃风、弃光现象严重。其主要原因在于这些地区电网中占主体地位的热电机组供热期调峰能力差，“以热定电”问题严重。因此提升燃煤热电机组灵活性，意义重大。针对我国常规热电机组灵活性不足问题，目前已有大量研究，如汽轮机旁路技术，切除低压缸技术，热水、熔盐储热技术，电锅炉、电热泵供热技术等。然而，灵活性改造措施只能不同程度上提高热电机组的调峰能力，尚不能实现热电完全解耦，即供电负荷调节与供热负荷调节无法完全独立。这主要是由基于蒸汽朗肯循环的热电机组的基本特性所决定的，其工作原理决定了供热负荷调节与透平结构直接相关(背压机为透平排气供热，抽凝机为中间抽气供热)，这意味着蒸汽热电机组供电负荷与供热负荷之间势必存在一定的耦合关系。现有的热电解耦技术虽然可以不同程度的降低这种供热和供电的耦合程度，但是无法实现热电完全解耦。
超临界二氧化碳循环有着循环效率高、全流量回热、冷端放热温度高等特点。这些特点可以和热电机组灵活高效运行的实际需求充分结合，在高效发电的同时，实现热电完全解耦。目前，我国能源体系将从化石能源向非化石能源、大型集中式向高效灵活式转型。随着风电、光热等新能源比例的不断增加，除了高效清洁外，对常规燃煤发电机组的灵活性和调峰能力的要求更加苛刻和迫切。截止2016年底，全国300MW等级及其以下的机组装机容量约4.32亿千瓦，约占煤电机组的45％左右，这些机组供电效率普遍偏低，且多为热电联产机组，机组灵活性差。根据我国能源产业政策，这部分落后产能的机组都将被更加高效灵活的机组取代。若将300MW以下的落后机组全部替换为50％以上效率，完全实现热电解耦，高效灵活的超临界二氧化碳热电联产机组，每年可节约标准煤约5600万吨，按500元/吨计算，折合每年节约燃料成本280亿元。减少二氧化碳的排放约1.47亿吨/年，同时可以消纳更多的新能源，彻底解决弃风弃光问题，实现我国能源转型的战略目标。
然而经调研，目前超临界二氧化碳循环多被用于高效发电领域，针对热电联产的研究相对较少，更没有热电完全解耦的相关研究，因此，还需要大量的原创性的工作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***，该热电联产***能够实现热电完全解耦。
为达到上述目的，本发明所述的基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***包括锅炉、压缩机、回热器、透平、热网加热器、预冷器及发电机；
锅炉的烟道内烟气流通方向依次设置有高温过热器、低温过热器、分流省煤器及SCR脱硝装置，压缩机的出口与回热器的冷侧入口及分流省煤器的入口相连通，回热器的冷侧出口与分流省煤器的出口通过管道并管后依次经锅炉的气冷壁、低温过热器及高温过热器与透平的入口相连通，透平的出口分为两路，其中一路与回热器的热侧入口相连通，另一路与回热器的热侧出口通过管道并管后分为两路，其中一路与热网加热器的放热侧入口相连通，另一路与预冷器的放热侧入口相连通，热网加热器的出口与预冷器的放热侧出口通过管道并管后与压缩机的入口相连通，透平与发电机相连接。
压缩机、透平及发电机同轴布置。
还包括冷却塔，其中，冷却塔的出水口与预冷器的吸热侧入口相连通，预冷器的吸热侧出口与冷却塔的入水口相连通。
还包括第一阀门、第二阀门、第三阀门及第四阀门，其中，透平的出口与第一阀门的一端及第二阀门的一端相连通，第二阀门的另一端与回热器的热侧入口相连通，第一阀门的另一端与回热器的热侧出口通过管道并管后分为两路，其中一路经第三阀门与预冷器的放热侧入口相连通，另一路经第四阀门与热网加热器的放热侧入口相连通。
还包括第五阀门及第六阀门，其中，压缩机的出口与第五阀门的一端及第六阀门的一端相连接，第六阀门的另一端与分流省煤器的入口相连通，第五阀门的另一端与回热器的冷侧入口相连通。
锅炉的烟道内还设置有空气预热器，其中，高温过热器、低温过热器、分流省煤器、SCR脱硝装置及空气预热器沿烟气流通的方向依次分布。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***在具体操作时，透平输出的超临界二氧化碳工质分为两路，其中一路进入到回热器的热侧中放热，另一路与回热器热侧输出的超临界二氧化碳工质汇流后分为两路，其中一路经预冷器进行降温，另一路进入热网加热器中加热热网水以降温，降温后的两路超临界二氧化碳汇流后进入到压缩机中，从而在回热器及热网加热器上形成旁路通道，进而从热力循环结构上彻底解除传统热电机组中供热和供电的直接耦合关系，实现热电联产机组的完全热电解耦。另外，需要说明的是，压缩机输出的一部分超临界二氧化碳进入到分流省煤器中，通过调节进入到分流省煤器中超临界二氧化碳的流量，以控制SCR脱硝装置入口的烟气温度，使得SCR脱硝装置入口烟气温度处于正常工作区间，实现SCR脱硝装置的全负荷脱硝。
附图说明
图1本发明的结构示意图。
其中，1为压缩机、2为回热器、31为气冷壁、32为高温过热器、33为低温过热器、34为分流省煤器、35为SCR脱硝装置、36为空气预热器、4为透平、5为热网加热器、6为预冷器、7为冷却塔、8为发电机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明所述的基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***包括锅炉、压缩机1、回热器2、透平4、热网加热器5、预冷器6及发电机8；锅炉的烟道内烟气流通方向依次设置有高温过热器32、低温过热器33、分流省煤器34、SCR脱硝装置35及空气预热器36，压缩机1的出口与回热器2的冷侧入口及分流省煤器34的入口相连通，回热器2的冷侧出口与分流省煤器34的出口通过管道并管后依次经锅炉的气冷壁31、低温过热器33及高温过热器32与透平4的入口相连通，透平4的出口分为两路，其中一路与回热器2的热侧入口相连通，另一路与回热器2的热侧出口通过管道并管后分为两路，其中一路与热网加热器5的放热侧入口相连通，另一路与预冷器6的放热侧入口相连通，热网加热器5的出口与预冷器6的放热侧出口通过管道并管后与压缩机1的入口相连通，透平4与发电机8相连接，其中，压缩机1、透平4及发电机8同轴布置。本发明还包括冷却塔7，其中，冷却塔7的出水口与预冷器6的吸热侧入口相连通，预冷器6的吸热侧出口与冷却塔7的入水口相连通。
本发明还包括第一阀门K1、第二阀门K2、第三阀门K3、第四阀门K4、第五阀门K5及第六阀门K6，其中，透平4的出口与第一阀门K1的一端及第二阀门K2的一端相连通，第二阀门K2的另一端与回热器2的热侧入口相连通，第一阀门K1的另一端与回热器2的热侧出口通过管道并管后分为两路，其中一路经第三阀门K3与预冷器6的放热侧入口相连通，另一路经第四阀门K4与热网加热器5的放热侧入口相连通；压缩机1的出口与第五阀门K5的一端及第六阀门K6的一端相连接，第六阀门K6的另一端与分流省煤器34的入口相连通，第五阀门K5的另一端与回热器2的冷侧入口相连通。
本发明的具体工作过程为：
经压缩机1升压后的超临界二氧化碳工质分为并联的两路，其中一路进入回热器2的冷侧中吸热，另一路进入到分流省煤器34中吸热，分流省煤器34输出的工质与回热器2冷侧输出的工质汇流后依次经气冷壁31、低温过热器33及高温过热器32进行加热，以转变为高温高压超临界二氧化碳工质，然后进入到透平4中做功，透平4拖动压缩机1及发电机8工作，透平4的排气分为两路，其中一路进入回热器2的热侧中进行降温，另一路作为回热器热侧旁路与回热器2热侧输出的工质回流后分为两路，其中一路进入到热网加热器5中实现供热，另一路通过预冷器6与冷却塔7组成的循环冷却水***排出废热，降温后的两路超临界二氧化碳工质汇合后进入到压缩机1，以此实现超临界二氧化碳的循环。
本发明中的分流省煤器34主要作用是利用锅炉烟气余热，同时控制SCR脱硝装置35入口的烟气温度，通过调节进入到分流省煤器34中工质的流量，以确保SCR脱硝装置35的入口烟气温度在正常的工作区间内，实现全负荷脱硝。
另外，回热器热侧旁路的作用是在快速调峰过程中起到快速提升供热负荷的目的，在***稳态运行时，该回热器热侧旁路处于关闭状态，避免***出现不必要的热效率损失。
预冷器6所在回路主要起到在快速调峰过程中快速降低供热负荷的作用，在***稳态运行时，该预冷器6所在回路尽可能处于关闭状态，以减小***散热损失，提高能源利用效率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***，其特征在于，包括锅炉、压缩机(1)、回热器(2)、透平(4)、热网加热器(5)、预冷器(6)及发电机(8)；
锅炉的烟道内烟气流通方向依次设置有高温过热器(32)、低温过热器(33)、分流省煤器(34)及SCR脱硝装置(35)，压缩机(1)的出口与回热器(2)的冷侧入口及分流省煤器(34)的入口相连通，回热器(2)的冷侧出口与分流省煤器(34)的出口通过管道并管后依次经锅炉的气冷壁(31)、低温过热器(33)及高温过热器(32)与透平(4)的入口相连通，透平(4)的出口分为两路，其中一路与回热器(2)的热侧入口相连通，另一路与回热器(2)的热侧出口通过管道并管后分为两路，其中一路与热网加热器(5)的放热侧入口相连通，另一路与预冷器(6)的放热侧入口相连通，热网加热器(5)的出口与预冷器(6)的放热侧出口通过管道并管后与压缩机(1)的入口相连通，透平(4)与发电机(8)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***，其特征在于，压缩机(1)、透平(4)及发电机(8)同轴布置。
3.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***，其特征在于，还包括冷却塔(7)，其中，冷却塔(7)的出水口与预冷器(6)的吸热侧入口相连通，预冷器(6)的吸热侧出口与冷却塔(7)的入水口相连通。
4.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***，其特征在于，还包括第一阀门(K1)、第二阀门(K2)、第三阀门(K3)及第四阀门(K4)，其中，透平(4)的出口与第一阀门(K1)的一端及第二阀门(K2)的一端相连通，第二阀门(K2)的另一端与回热器(2)的热侧入口相连通，第一阀门(K1)的另一端与回热器(2)的热侧出口通过管道并管后分为两路，其中一路经第三阀门(K3)与预冷器(6)的放热侧入口相连通，另一路经第四阀门(K4)与热网加热器(5)的放热侧入口相连通。
5.根据权利要求4所述的基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***，其特征在于，还包括第五阀门(K5)及第六阀门(K6)，其中，压缩机(1)的出口与第五阀门(K5)的一端及第六阀门(K6)的一端相连接，第六阀门(K6)的另一端与分流省煤器(34)的入口相连通，第五阀门(K5)的另一端与回热器(2)的冷侧入口相连通。
6.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳循环的完全热电解耦的热电联产***，其特征在于，锅炉的烟道内还设置有空气预热器(36)，其中，高温过热器(32)、低温过热器(33)、分流省煤器(34)、SCR脱硝装置(35)及空气预热器(36)沿烟气流通的方向依次分布。
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